灵敏度的模态区间分析方法及其在不确定性参数识别中的应用EI北大核心CSCD

由于存在区间过估计及无法获知结构响应表达式的问题,区间灵敏度分析方法难以广泛地应用于实际复杂结构中。为此,提出一种基于响应面的灵敏度模态区间分析方法,该方法在区间响应面模型上分别对每个区间参数进行模态区间扩张得到响应区间,进而计算相对模态区间灵敏度,通过比较相对模态区间灵敏度即可判断结构响应对参数的敏感程度。通过数值算例探讨响应面形式对计算结果的影响,阐述灵敏度区间分析与灵敏度模态区间分析的优缺点。最后以钢板试验及钢筋混凝土拱桥不确定性参数识别算例来验证所提方法在复杂结构分析中的可行性。灵敏度分析结果表明该方法有效地解决区间过估计问题,提高了灵敏度分析的精度。对参数在多个范围内的灵敏度分析,所提方法具有较高的计算效率。参数识别结果表明将逆响应面与模态区间分析结合可避免区间优化过程,在保证精度的前提下,提高了参数识别效率。     

盾构刀盘复合地层下冲击载荷分析

提出一种复合地层中刀盘极限冲击载荷计算新方法,对此类不良地质中刀盘的安全设计进行分析并提出改进思路。由于盘形滚刀和切刀在上软下硬地层中受周期性冲击载荷作用,通过对刀具进行受力分析并建立力学模型,得到刀具沿隧道轴线方向受到的交变载荷最大值与刀具贯入度以及硬岩高度的关系。刀具受到的最大载荷传递到刀盘上,通过计算刀盘所受载荷,对比软硬不同地层中刀盘上部和下部载荷的差值,计算并分析刀盘所受沿隧道轴线方向的力和倾覆力矩。计算结果表明,该方法对上软下硬复合地层中刀盘的极限载荷计算和安全分析有较好的效果。     

灵敏度的模态区间分析方法及其在不确定性参数识别中的应用

由于存在区间过估计及无法获知结构响应表达式的问题,区间灵敏度分析方法难以广泛地应用于实际复杂结构中。为此,提出一种基于响应面的灵敏度模态区间分析方法,该方法在区间响应面模型上分别对每个区间参数进行模态区间扩张得到响应区间,进而计算相对模态区间灵敏度,通过比较相对模态区间灵敏度即可判断结构响应对参数的敏感程度。通过数值算例探讨响应面形式对计算结果的影响,阐述灵敏度区间分析与灵敏度模态区间分析的优缺点。最后以钢板试验及钢筋混凝土拱桥不确定性参数识别算例来验证所提方法在复杂结构分析中的可行性。灵敏度分析结果表明该方法有效地解决区间过估计问题,提高了灵敏度分析的精度。对参数在多个范围内的灵敏度分析,所提方法具有较高的计算效率。参数识别结果表明将逆响应面与模态区间分析结合可避免区间优化过程,在保证精度的前提下,提高了参数识别效率。     

随机激励下随机结构动力可靠性灵敏度分析

对于随机激励下随机结构动力可靠性的灵敏度分析问题,在加权非线性响应面法的基础之上建立了随机结构动力可靠性灵敏度分析方法.所提方法从随机结构无条件动力可靠度的表达式出发,首先将随机结构的动力可靠性分析问题转化成传统的静力可靠性分析问题,然后采用基于加权非线性响应面法的Monte-Carlo可靠性灵敏度分析方法求解动力可靠性灵敏度值.算例表明该方法的计算结果是合理的,并且由于加权非线性法具有较高的效率和精度,因而所提方法具有一定的工程意义.     

大跨屋盖结构风振响应参数灵敏度分析

对典型大跨屋盖结构风振响应开展参数灵敏度研究,目的是定量评估各种不确定因素对结构风振响应不确定性的贡献率,获得不确定性在风荷载与风振响应间的传递规律。首先结合Sobol'方差分解法和拉丁超立方抽样技术建立适用于大跨屋盖结构的全局灵敏度分析方法,通过多次采样风洞试验获得大量脉动风荷载时程,作为灵敏度分析的输入变量。合理建立结构参数概率统计模型,分别应用局部和全局灵敏度分析方法对典型大跨屋盖结构极值风振响应进行了参数灵敏度分析,研究发现:多个参数共同随机变化时,结构极值风振响应近似服从广义极值分布;结构风振响应的不确定性主要受风荷载不确定性控制;结构风振响应的参数灵敏度与共振响应在总响应中的比重有关,共振响应占比越大,结构对风荷载越敏感。     

随机参数汽车盘式制动器的稳定性分析

针对不确定性参数汽车制动器噪声的抑制问题,基于随机参数分析理论,将响应面法与有限元复特征值技术相结合,提出了一种随机参数汽车制动器系统稳定性的分析方法。该方法用随机参数对制动器系统的不确定性进行描述,系统的摩擦系数、制动压力、制动盘厚度、制动片厚度和支撑背板的厚度参数分别采用随机变量表示;为提高分析效率,建立了包含随机变量的制动器不稳定特征值的响应面近似模型,进而根据系统特征值的随机特性对系统稳定性进行分析。用该方法对某车的浮钳盘式制动器系统进行研究,采用蒙特卡洛方法分析了随机参数正态分布假设下系统特征值的概率统计特性和参数灵敏度。结果表明:通过修改制动器支撑背板的厚度以提高支撑刚度,可有效改善制动器系统的稳定性,减小制动噪声的产生。     

高速切削刀具系统固有特性和动态响应分析

高速切削刀具系统是数控刻楦机主要部件,其性能的优劣直接影响到鞋楦的加工质量．构造了高速切削刀具系统的三维实体模型,建立了系统动力分析有限元模型,计算了高速切削刀具系统的固有模态,与测试结果符合较好,基于该动力分析有限元模型,分析了加工状态下刀具承受的切削力激励载荷,计算得到刀具表面的速度和位移响应,对高速刀具进行进一步噪声分析研究具有重要的意义。     

引入不确定参数的汽车盘式制动器振动稳定性分析

针对汽车制动器的噪声抑制问题,基于可靠性分析理论,将蒙特卡洛法与响应面法相结合,提出了一种汽车盘式制动器系统振动稳定性的可靠性分析方法。该方法针对制动噪声产生具有不确定性的特点,引入随机和区间不确定性参数对制动器系统进行描述,建立包含随机参数和区间参数的制动器不稳定特征值的响应面近似模型,进而采用Sobol′全局灵敏度分析法和蒙特卡洛法分别对不确定参数的全局灵敏度和系统稳定性的可靠度进行分析。用该方法对某车的浮钳盘式制动器系统进行研究,分析了系统稳定性的可靠度和不确定参数的全局灵敏度,甄别了不确定性参数对系统稳定性的影响,并从可靠性角度提出了改善制动器系统振动稳定性的工程措施。     

基于响应面法的地坑式架车机轻量化研究

传统架车机设计方法往往趋于保守,为了充分发挥地坑式架车机材料的承载性能,将响应面近似模型法与优化技术相结合,提出一种以地坑式架车机结构自重为优化目标的优化方法.该方法基于多学科优化软件ISIGHT和ANSYS,通过最优拉丁超立方试验设计方法分析设计变量对响应的灵敏度,获得最终设计变量,并建立响应面近似模型,利用多岛遗传算法对近似模型进行优化.结果表明,该方法能极大提高优化效率,同时使地坑式架车机结构自重降低20.64%,轻量化效果显著.研究结果可为地坑式架车机的设计提供理论指导.     

药品包装线开盒机刚柔耦合动力学仿真分析

目的研究柔性杆件从实际工况开始,随着工作转速的提高对开盒机动态性能和开盒角度的影响。方法利用Solid Works建立了开盒机的三维实体模型,通过导入ADAMS建立开盒机的纯刚体模型,利用Ansys对杆件进行柔性化处理,生成模态中性文件,将其导入纯刚体模型中建立开盒机的刚柔耦合模型,并进行动力学仿真分析,仿真结束后将载荷文件导入Ansys进行关键部件的应力分析。结果得到了开盒杆相对吸盒杆的最大转角和关键部件的受力,得出工作转速340 r/min为此开盒机的极限转速,且通过加强杆件的强度可以使开盒机提速运行,但必须进行全面的动态性能研究和优化。结论采用刚柔耦合分析方法可以更真实地仿真开盒机的实际运动状态,尤其是在工作转速较高阶段,且相对于纯刚体模型,可以更全面地分析开盒机的动态性能。     

基于灰色关联分析和响应面法的复合材料缠绕成型多目标工艺参数优化

针对复合材料预浸带缠绕过程中制品的残余应力、孔隙率最小化和层间剪切强度（ILSS）最大化的多目标优化问题,采用Box-Behnken Design （BBD）原理设计四因素三水平的T300/环氧树脂预浸带缠绕实验;基于灰色关联分析（GRA）将多目标优化问题转化为单目标优化问题,利用主成分分析（PCA）法确定残余应力、孔隙率和ILSS对灰色关联度（GRG）的影响权重;通过对实验数据的回归分析,建立GRG与主要缠绕工艺参数（缠绕温度、张力、压辊压力和缠绕速度）的二阶预测模型;分析了各工艺参数对残余应力、孔隙率、ILSS和GRG的影响规律,确定缠绕工艺参数优化方案;利用响应面法（RSM）求解工艺参数优化问题并进行复合材料预浸带缠绕实验。结果表明:该优化方法获得的最优工艺参数组合可以有效改善残余应力、孔隙率和ILSS,提高预浸带缠绕制品的性能。      

Sensitivity analysis and shape optimization for preform design in thermo‐mechanical coupled analysis

In complex forging processes, it is essential to find the optimal deformation path and the optimal preform shape that will lead to the desired final shape and service properties. A sensitivity analysis and optimization for preform billet shape in thermo‐mechanical coupled simulation is developed in this work. Non‐linear sensitivity analysis of temperatures, flow‐stresses, strains and strain‐rates are presented with respect to design variables. Both analytical and finite‐difference gradients are employed to validate the effectiveness of sensitivity analysis developed in this work. Numerous iterations of coupled thermo‐mechanical analysis are performed to determine an optimum preform shape based on a given criterion of minimizing the objective function on effective strain variance within the final forging. The design constraints are imposed on die underfill, material scrap, folding defects and temperatures. In addition, a method for material data processing is given in order to determine the flow stress and its derivatives. The shape optimization scheme is demonstrated with the preform designs of an axisymmetric disk and a plane strain problem. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于流场分析的某割草车节能优化设计

为了提高某割草车的工作效率,降低其长时间工作时的能源损耗,对其割台中的刀盘和刀片进行建模与仿真分析,通过对刀盘角区和刀片形状进行优化,达到节能的效果。首先,对割草过程中刀盘内的流场情况进行数值模拟,分析了刀片和刀盘所受的压力、刀片的速度以及刀片所受扭矩;其次,基于流场分析规律,对刀盘角区和刀片的形状进行优化,提出3个优化方案;然后,以扭矩的大小作为方案是否节能的主要评价指标,并与原方案进行对比分析,得到节能效果最优的设计方案;最后,将优化后的刀片加工成形,装在实车上进行试验,试验结果与仿真结果的误差小于5%,说明仿真结果正确,同时试验结果验证了该优化方案具有良好的节能效果。仿真与试验结果表明：刀片形状对割草机工作过程中的流场及扭矩等有重要影响,异形刀片有助于减小流场涡流与风阻,从而减小刀片上的扭矩,达到节能提效的目的。     

25MN电极压机压制过程模拟及模具的结构优化

目的 针对25MN电极压机压制自耗电极过程中模具发生断裂失效这一问题,利用数值模拟的方法分析模具产生断裂失效的原因,并对模具结构进行改进。方法 首先建立了压机模具的三维模型,利用有限元分析软件Deform-3D对自耗电极的压制过程进行了数值模拟。其次通过对压制出的电极块密度、电极块表面等效应力以及电极块表面温度等进行综合分析,找到模具结构的薄弱位置,并对其进行了结构优化改进。最后利用有限元分析软件ANSYS Workbench及Deform-3D对改进前后的模具分别进行了约束模态对比分析及自耗电极压制过程的对比分析。结果 在工作过程中,电极压机的顶模比底模更易产生断裂失效,其薄弱位置分布在左右两侧的尖角部位。优化后顶模的各阶模态变形量均小于优化前的各阶模态变形量;优化后的顶模压制出的电极块相对密度更大,由原来的0.89增大为1,电极块的致密性更好;电极块表面温度降低,顶模发生塑性变形的概率减小;顶模尖角内侧受电极块的反作用力减小,发生断裂失效的风险降低。结论 上述研究结果验证了本文对顶模结构优化的合理性,并为电极压机模具的结构优化提供了一定的理论参考。     

Fracture failure analysis of AISI 304L stainless steel shaft

Fracture failure analysis of an agitator shaft in a large vessel is investigated in the present work. This analysis methodology focused on fracture surface examination and finite element method (FEM) simulation using Abaqus software for stress analysis. The results show that the steel shaft failed due to inadequate fillet radius size and more importantly marking defects originated during machining on the shaft. In addition, after visual investigation of the fracture surface, it is concluded that fracture occurred due to torsional–bending fatigue during operation.     

一种新型轮胎的设计与分析

 为了提高轮胎的防刺破、防爆胎和安全防弹性能,减轻重量,提出一种用于某型轮式特种车辆的无气轮胎,探索出一种新的轮胎设计方法.通过力学分析,建立了轮胎的结构模型,并利用有限元分析软件ANSYS对轮胎进行与地面的非线性大变形接触分析,获得车辆静态承载时车轮的受力与变形关系及应力分布情况,得到一些重要的设计参数,从而可以合理选材,改善胎体结构,优化设计方案.通过变形和接触力的关系得到轮胎的径向刚度曲线,为下一步的仿真分析提供重要的刚度参数.     

On variational sensitivity analysis and configurational mechanics

This contribution is concerned with the application of variational design sensitivity analysis in the context of structural optimization and configurational mechanics. In both disciplines we consider variations of the material configuration and we use techniques from variational sensitivity analysis in order to solve these problems. We derive the physical and material residual problem in one step by using standard optimization procedures. Furthermore, we investigate the sensitivity of the physical as well as the material residual problem and obtain the coupled saddle point problem based on these sensitivities. Both problems are coupled by the pseudo load operator, which plays an important role by the solution of structural optimization problems. By means of computational examples from mesh optimization and shape optimization, we demonstrate the capability of the proposed theoretical framework.     

唇形密封圈静密封性能快速仿真流程定制技术研究

针对唇形密封圈性能评估过程繁琐且效率低的问题，基于唇形密封圈物理模型与Femap&NX Nastran平台，研究了基于物理模型的唇形密封圈静密封性能快速仿真流程定制技术。首先，基于Mooney-Rivilin模型的橡胶材料本构关系，利用有限元分析软件建立唇形密封圈的轴对称数值模型，针对该模型的非线性问题，采用收敛控制技术取得了良好的收敛性；通过有限元模拟获得了唇形密封圈装配过程中相关密封性能参数，并通过旋转力矩实验验证了密封圈性能评估有限元模拟技术的有效性。其次，基于唇形密封圈物理模型并结合设计工程师对产品性能评估的需求，提出了基于物理模型的仿真流程定制技术，并采用Visual Basic语言，结合Femap API，开发了唇形密封圈密封性能评估软件。最后，通过实例验证了该软件的有效性与通用性，结合CAD（computer aided design，计算机辅助设计）参数化技术，在灵敏度分析的基础上以提高唇形密封圈静密封性能为目标进行结构优化，最终达到提高产品密封性能与密封圈性能评估效率的目的。     

轴流散热风机共振失效分析与优化设计

为研究某磁悬浮列车辅助变流器的轴流散热风机的失效问题,提出了一种基于现场测试、有限元仿真与代理模型的失效分析与优化设计方法。首先,通过振动路谱测试与模态仿真分析剖析了轴流散热风机的失效机理,确定了由安装结构刚度不足和转速下降引发的局部共振为风机失效的根本原因。然后,基于模态分析结果,设计了轴流散热风机安装网斜向筋局部加强改造方案,并采用加速度谱响应分析对改造后的风机进行了性能评估。接着,利用代理模型拟合了安装网加强结构特征参数与轴流散热风机振动响应特性之间的映射关系,并以避免共振、降低振动烈度和改造成本最低为优化目标,通过智能算法获得了最优改造方案。最后,通过振动性能评估试验和长寿命振动试验验证了最优改造方案的可行性。结果表明,最优改造方案能有效地解决轴流散热风机的局部共振问题,提高了其使用寿命。研究结果可为轴流散热风机的共振失效分析与优化设计提供参考,具有重要的工程实践价值。